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1、小铁研式抗裂试验及断口分析 蒋应田辽宁石油化工大学LNPULNPU辽宁石油化工大学一、实验目的1、 通过实验，使学生了解评价金属材 料可焊性的常用实验方法。2、 认识冷裂纹产生的三个条件。3、了解焊接冷裂纹断口的典型形貌。 LNPU辽宁石油化工大学二、实验装置及实验材料1、 材料试板（材质为被测材料）12块焊条4.0（焊条强度级别与试板等强度）2、 设备焊机（直流焊机） 1台气割设备 1套砂轮切片机 1台放大镜、秒表、手锤等各 1个腐蚀液 若干 LNPU辽宁石油化工大学三、实验原理1、 冷裂纹的测试方法简介 焊接冷裂纹倾向的测定方法很多，常用的有：最高硬度法、斜y 坡口对接裂纹试验法（“小铁研
2、式”抗裂实验）、刚性拘束裂纹试 验（RRC试验）、拉伸拘束试验(TRC)、插销试验等。按照接头拘束类型可把抗裂试验分为自拘束抗裂试验和外拘束性 抗裂试验两大类。自拘束抗裂试验主要评价材料（焊材）抗热、冷裂纹性能，确定 焊接规范(不开裂时)及热处理情况（包括预热、后热）。这种试 验只是定性地进行。象小铁研试验、窗口试验等。外拘束性试验适用于定量评定材料的裂纹倾向，以及可以比较深 入地进行有关理论研究工作，像插销试验法等。LNPU辽宁石油化工大学2、 焊接冷裂纹的产生及危害冷裂纹是焊后冷却较低温度下产生的。对于低 合金钢、中碳钢而言，大约在钢的马氏体转变 温度MS附近。它是由于拘束应力、淬硬组织和
3、 扩散氢的共同作用下产生的。 冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中 碳和高碳钢的热影响区，个别情况下，如焊接 超高强度钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在 焊缝上。危害：接头性能变坏，产生脆性断裂。 LNPU辽宁石油化工大学3、 冷裂纹的种类延迟裂纹主要特点是：不在焊后立即出现，具有延迟现象。主要取决于钢 中的淬硬倾向，焊接接头的应力状态合熔敷金属中的扩散氢含量 。 淬硬脆化裂纹 主要特点:焊后立即开裂，不受扩散氢的影响，只在拘束应力的作 用下产生。 产生原因：由于冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的。主要取 决于钢的淬硬性和拘束条件。一般采用较高的预热温度和使用高 韧性的焊条基本上可以防止这种裂
4、温。 低塑性脆化裂纹由于某些塑性较低材料，焊后冷至低温时，由于收缩力引起的应 变超过了材料本身所具有的塑性储备或材质变脆而产生的裂纹， 成为低塑性脆化裂纹。如：球墨铸铁补焊时，不采取措施而产生 白口开裂的现象 LNPU辽宁石油化工大学4、 延迟冷裂纹的产生机理分 析在三种冷裂纹中，延迟裂纹的危害性最大，最具有普 遍性。因此，这里主要介绍这中裂纹的产生情况。有 关研究证明：钢材的淬硬倾向，焊接接头含氢量及其 分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接 时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条 件下是互相联系和相互促进的。LNPU辽宁石油化工大学下面就三大因素简单介绍一下。钢材的淬硬倾向
5、，主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷 却条件等。钢淬硬后开裂主要有以下的两个方面原因。形成脆硬的马氏体组织马氏体的脆硬是因碳饱和固溶在Fe种，使晶格发生较大的畸 变而难以变形（滑移），这样断裂时将消耗较低的（很少）能量 。因此，马氏体的存在时利于裂纹的形成和扩展。淬硬会形成更多的晶格缺陷碳在Fe中过饱和固溶，导致严重的晶格畸变，形成大量的晶 格缺陷，主要是空位和位错。在不平衡条件下，位错和空位发生 移动和聚集，在达到一定浓度后便形成裂纹源。高强钢的淬硬倾向以热影响区最高硬度Hmax作为评定指标。LNPU辽宁石油化工大学扩散氢的作用大量的研究证明，氢的聚集开始于焊后约60秒（室温下板厚20m
6、m）,约冷至100 150，在焊后12小时达到最大值（在有缺口效应的部位），然后逐渐耗散。氢聚集的程度随钢种的化学成分不同而不同。在较高的拘束条件下（ R21700N/mmmm）氢聚集系数N(N=C/C0,C聚集氢浓度，C0初始氢浓度)随Pcm（碳当量）的变化如下： Pcm=0.20% N=1.7; Pcm=0.25% N=3.3; Pcm=0.30% N=6.2 高强钢焊后冷却至100附近时扩散氢在某些部位（应力应变最大区域）发生聚 集而起到起裂作用，因此，把100时的残余扩散氢HR100称为有效氢含量。 式中H0凝固时焊缝的处时含氢量 hW焊缝的平均厚度 M氢的热扩散因子一般手工电弧焊时，
7、则 用回归方程法可求的M如下：适用范围t150=49.5630s t200=28.5166s t250=20.25103s t300=15.571.25sLNPU辽宁石油化工大学对于一般低合金钢，焊后延迟裂纹的出现往往在热影响区，这与焊缝及 热影响区组织变化和氢的扩散过程有关。 由于一般低合金钢焊缝金属的含碳量低于热影响区，在冷却时会在较高 的温度就发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体以及低 碳马氏体等。在分解同时，原先溶解在焊缝的很多氢会极力进行扩散和 逸出，当然，原子氢将会从焊缝向热影响区扩散。当焊缝由奥氏体转变 为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度会突然下降，而氢在铁素体、
8、珠光体中的扩散速度很快，因此氢会被很快地赶到未转变的奥氏体组织 中去扩散（热影响区），而在热影响区（奥氏体中）扩散速度慢，不能 很快地把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因此在熔合线附近形成了 富氢地带。当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时（因焊缝相 变超前于热影响区相变），氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这 个地区进一步脆化。如果这个部位有缺口效应（应力集中、应变集中） ，并且氢的浓度足够高时，就可能产生根部裂纹或焊趾裂纹。若氢的浓 度更高，可使马氏体更加脆化，也可能产生焊道下裂纹。 当焊接某些超高强度钢时，会由于焊缝成分复杂，导致焊接热影响区相 变先于焊缝，这样，氢会相反地从热影响
9、区向焊缝扩散，那么延迟裂纹 就可能在焊缝上产生。LNPU辽宁石油化工大学（3）焊接接头的应力状态在焊接时，主要存在以下几种应力 不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力； 金属相变时产生的组织应力 相变产生体积膨胀，会减轻残余拉伸应 力，有利于降低冷裂倾向。 结构自身拘束条件所造成的应力 拘束应力的大小决定于受拘束的程度，用拘束度R来表示。 R的定义：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的 力。平板对接： 式中E母材金属的弹性模量 L拘束距离 板厚 由上式知：改变拘束距离L和板厚可以调节拘束度R的大小。当R值达到 一定值时就产生裂纹，这是的R值称为临界拘束度Rcr。LNPU辽宁石油
10、化工大学LNPU辽宁石油化工大学焊接接头拘束应力可采用拘束度来预测，但并不能完全所反映， 这主要受钢种类型所限制，两者之间的关系可用下式表达 式中m拘束应力转换系数，与钢的线膨胀系数，力学熔点，比 热容以及接头的坡口角度等有关。 式中线胀系数（10-6/） TM力学熔点 （） T0环境温度（） H热焓（J/g） 2坡口角度 C比热熔（J/(gC)） 低合金钢，手工电弧焊时m=(35)10-2LNPU辽宁石油化工大学概括以上，高强度钢焊接时产生冷裂纹的机理在于钢 中产生淬硬之后受氢的侵袭和诱发，使之脆化，在拘 束应力的作用下产生了裂纹。当然，产生冷裂纹的力 学行为并不是一般的平均拘束应力，而是在
11、某一敏感 部位（如有缺口、内部缺陷等应力集中点）达到比平 均应力更大的应力场才导致开裂。而氢的作用也不是 熔敷金属中的平均含量，而是冷至150100时的 残余扩散氢发生聚集而造成临界状态的氢量（有效氢 ）。钢的淬硬性也不是单纯化学成分所能表达Pcm(碳 当量)，而是采用硬度或脆化度较合理。这反映了化学 成分和组织形态的共同影响。LNPU辽宁石油化工大学1、 冷裂纹的斜y形坡口试验法此法主要评定碳钢和低合金钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。 具体实验方法是：首先用被焊材料加工成如图所式的试样，坡口才用机械切削加工 。然后把两端各60mm范围内先用焊缝固定，焊接时要注意防止 角变形和未焊透。固定焊缝
12、为双面焊接，要保证填满。试验焊缝采用手弧焊或自动送进焊条电弧焊，但要注意焊接时引 弧、熄弧方式并应离开拘束焊缝23mm，如图2所式。试验焊 缝可在各种不同温度下施焊，焊后静止24h再检测和解刨。焊接 工艺参数为：焊条直径4mm，焊接电流17010A，电弧电压 242V，焊接速度15010mm/min。检测裂纹可用肉眼和放大 镜来观察焊接接头的表面和断面上是否存在裂纹，并用下述方法 分别计算出表面裂纹率，试样上裂纹长度计算的示意图见图2。LNPU辽宁石油化工大学图表1LNPU辽宁石油化工大学LNPU辽宁石油化工大学LNPU辽宁石油化工大学表面裂纹率： 中Cf表面裂纹率（%） lf表面裂纹长度之和
13、（mm） L试验焊缝长度根部裂纹率：试样先经着色检验，然后拉 断或弯断。 式中Cr根部裂纹率（%）lr根部裂纹长度之和（mm）断面裂纹率： 在试验焊缝上切下46块试片，检查5个断面上的裂纹 深度。LNPU辽宁石油化工大学式中CS断面裂纹率（%） HS5个断面上裂纹深度之和 H5个断面焊缝最小厚度之合（mm ）。 如果保持焊接规范不变而采用不同的预 热温度进行试验时，可以测的防止冷裂 纹的临界预热温度，以此作为冷裂纹敏 感性的指标之一。 LNPU辽宁石油化工大学斜y坡口对接裂纹试验的特点：接头拘束度大，根部尖角又有应力集中 ，因此认为试验中表面裂纹率小于20% ，则用于生产就是安全的。斜y坡口对
14、接裂纹试验一般用于评价打底 焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。而对于 焊缝金属则用直角坡口对接裂纹试验。 其实验方法及程序同斜y坡口。LNPU辽宁石油化工大学1、 冷裂纹端口分析冷裂纹端口形态比较复杂。它随金属材 料的性能、强度、含氢量的多少，拘束 条件和焊接工艺变化。开裂的途径既有 穿晶，也有沿晶，以及两种的混合。一 般低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹 ，断口形态主要由准解理（Quasi- cleavage fracture）沿晶（Intergranular fracture）和少量韧窝（Dimple Rupture ）。LNPU辽宁石油化工大学冷裂纹一般具有延迟的特征，因此冷裂纹的断裂过程也是分
15、阶段进行的 ，大致可分为三个阶段，即启裂（起裂）扩展（放射区）和最后断裂（ 剪切唇）。 当然，材料的成分（Pcm）和含氢量将对冷裂断口形态有很大影响。 Pcm对启裂区断口形态的影响用插销试验法对三种不同的Pcm钢即 18MnMoNb(Pcm=0.3359%),15MnV(A)钢（Pcm=0.3240%） ,14MnMoNbB钢（Pcm=0.2635%）研究比较后发现 当随着钢种Pcm增大，启裂区IG增多，QC减少。 Pcm对扩展区形态的影响随着Pcm增大，扩展区中IC比例增加，在Pcm较小时，还可能以韧窝（ DR）为主。 Pcm对终端区的形态影响 对低合金钢，冷裂的终端区一般都以DR为主。随着Pcm的减少，DR 更为细化。LNPU辽宁石油化工大学含氢量对断口形态的影响 随着含氢量的增加，断口形貌将由韧窝向准解理和沿 晶发展。因此，随着钢种化学成分和熔敷金属中的含 氢量不同，断口形貌也发生了变化，其变化情况如下 图所示LNPU辽宁石油化工大学
